1.現代光學(xué)建模仿真的現狀
現代光學(xué)系統中可能包含有各種類(lèi)型的光學(xué)元件，如折射透鏡、衍射透鏡、折衍混合透鏡以及漸變折射率透鏡和各種衍射光學(xué)元件，如擴束器、整形器、分束器、相位板、光柵以及自由曲面等，同時(shí)還需要使用到各種不同的光源，如相干和部分相干光源，連續和脈沖光源以及具有各種偏振特性的光源。而一個(gè)高效和完善的光學(xué)建模工具，需要將不同類(lèi)型的光學(xué)元件以及光源有效的放在同一個(gè)軟件平臺上進(jìn)行模擬仿真，并獲得高精度的物理結果，如光學(xué)系統的衍射、干涉、部分相干、像差以及偏振和矢量效應等，如圖1所示。
圖1.現代光學(xué)建模的要求
2.場(chǎng)追跡光學(xué)建模平臺——VirtualLab™
為了解決目前光學(xué)軟件在模擬仿真中的局限性，德國LightTrans公司開(kāi)發(fā)了場(chǎng)追跡的概念來(lái)完成對不同類(lèi)型的光學(xué)元件和光源的統一化建模，場(chǎng)追跡方法統一了從幾何光學(xué)到電磁場(chǎng)方法的建模技術(shù)，如應用于光場(chǎng)在自由空間傳輸的平面波譜法（SPW）、菲涅爾積分、遠場(chǎng)積分、幾何場(chǎng)追跡等，應用于光場(chǎng)在元件表面傳輸的傾斜算子、幾何場(chǎng)追跡、薄元逼近（TEA）、分步光束傳輸方法（BPM）、傅里葉模態(tài)法（FMM）、有限元法（FEM）、積分法等，從而保證了對光學(xué)系統的各個(gè)部分進(jìn)行精確的建模，從而獲得高精度的物理結果。
應用場(chǎng)追跡概念來(lái)進(jìn)行統一化光學(xué)建模與仿真的VirtualLabTM軟件包，其包含有五個(gè)工具箱，分別為基本工具箱（Starter Toolbox）、衍射光學(xué)工具箱（Diffractive Optical Toolbox）、光柵工具箱（Grating Toolbox）以及激光諧振腔工具箱（Laser Resonator Toolbox）和照明工具箱（Lighting Toolbox），如圖2所示。各個(gè)工具箱不僅可以應用于特定的應用領(lǐng)域，同時(shí)五個(gè)工具箱又可協(xié)同工作，以實(shí)現功能的最大化。
圖2.由左至右：基本工具箱，衍射光學(xué)工具箱，光柵工具箱，激光諧振腔工具箱以及照明工具箱
3.主要功能及應用領(lǐng)域
VirtualLabTM的基本工具箱可以模擬各種光學(xué)系統的衍射、干涉、偏振和矢量等效應；使用衍射光學(xué)工具箱可以設計和優(yōu)化各種衍射光學(xué)元件；使用光柵工具箱可以對各種類(lèi)型的光柵進(jìn)行嚴格的分析；使用激光諧振腔工具箱可以進(jìn)行激光諧振腔的本征模和高階模的計算和分析；使用照明工具箱可以設計緊湊的光學(xué)系統以對LED光源進(jìn)行光束整形和均勻化。
1).基本工具箱——各類(lèi)光學(xué)系統模擬仿真的集成
基于統一化場(chǎng)追跡建模方法，基本工具箱既可以模擬激光光學(xué)系統，微光學(xué)系統，衍射光學(xué)和干涉光學(xué)，又可以模擬成像和照明系統并對超短脈沖，時(shí)間和空間部分相干光以及全息復原等等進(jìn)行建模，如圖3所示，全息復原模擬。同時(shí)，基本工具箱提供的用戶(hù)自定義功能最大限度的拓展了光學(xué)建模的靈活性和便利性，如圖4所示，使用可編程函數來(lái)模擬空間光調制器。而對于其新的參數運行（New Parameter Run和新的參數優(yōu)化（New Parametric Optimization）兩種優(yōu)化方法。前者可以通過(guò)將光學(xué)系統中的參數（如光源波長(cháng)，透鏡表面曲率以及元件之間的間距等）作為變量，從而對整個(gè)光學(xué)系統進(jìn)行優(yōu)化從而獲得期望的結果；后者可以通過(guò)確定期望結果以及光學(xué)系統的變量從而對整個(gè)光學(xué)系統進(jìn)行優(yōu)化從而獲得期望的結果，如圖5所示，使用新的參數優(yōu)化找出柱透鏡的最佳聚焦長(cháng)度從而校正半導體激光器光束的像散現象。
圖3.全息圖復原
圖4.空間光調制器模擬
圖5 左邊為全發(fā)散角分別為13°和53°的半導體激光的像散波前，右邊為使用新的參數優(yōu)化后，半導體激光經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的柱透鏡所獲得的波前（像散幾乎被完全校正了） |
